光伏水泵系统设计.docx

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光伏水泵系统设计

摘要

光伏水泵亦称太阳能水泵，近年来它愈来愈被人们确认是当今世界上阳光丰富地区，尤其是缺电无电的边远地区最具吸引力的供水手段，利用随处可取、取之不竭的太阳能实现高经济性和高可靠性的供水。

水泵全自动地日出而作，日落而歇，无需人员看管，维护工作量可降至最低，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品光伏水泵系统是近若干年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它利用太阳电池发出的电力，通最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵，将水从地表深处提至地面供农田灌溉或人畜饮用。

从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。

【关键词】太阳电池，控制器，电机水泵

Abstract

AlsoknownassolarPVwaterpumpwaterpump,inrecentyears,moreandmoreisknowntodaytobeSun-richregionsoftheworld,especiallythelackofelectricitymeansnowatersupplyinremoteareasofthemostattractive,desirableeverywhere,fromendlesssolarenergyhigheconomyandhighreliabilityofsupply.Pumpautomatictosunriseandfor,sunsetandbreak,withoutpersonnelcustody,maintenanceworkloadcanfelltominimum,isidealofseteconomicsexual,andreliabilityandenvironmentalbenefitforoneofgreenenergyhigh-techproductsPVpumpsystemisnearseveralyearstoquicklydevelopmentupoflightelectromechanicalintegrationsystem,itusingSunbatteryissuedofpower,passmaximumpowerpointstrackandtransform,andcontrol,devicedriveDC,andmagnet,andnobrush,andnolocationsensor,andStatorandrotorordoubleplasticmotorefficientasynchronouselectromotororswitchedreluctancemotordrivehighperformancepumps,waterfromthedepthsoftheEarth'ssurfacetothegroundforirrigationorlivestockconsumption.Involvedfromdesigntomanufacturingofelectrical,mechanical,electrical,electronic,computer,control,andmanyotherdisciplinesofmoderntechnology,tothedevelopmentofmodernagriculture,energy-saving,environmentalprotectionandothermeanstoprovideextremelygood.

【keywords】Solarbattery,controller,motorwaterpump

目录

绪论………………………………………………………………………………………1

第1章光伏水泵的种类

1.1有刷直流光伏水泵………………………………………………………2

　　　1.2无刷直流光伏水泵……………………………………………………2

第2章光伏水泵的重要系数及构成

2.1光伏水泵系统的效率及特性……………………………………………3

　　　2.2光伏水泵的构成…………………………………………………………3

2.2.1光伏阵列…………………………………………………………3

2.2.2控制器……………………………………………………………3

2.2.3电机和水泵………………………………………………………4

2.4光伏水泵的效率及特性………………………………………………5

第4章光伏水泵系统控制器与控制策略

4.1光伏水泵系统MPPT控制器构成…………………………………………7

　　　4.2光伏水泵系统控制策略的设计…………………………………………7

致谢………………………………………………………………………………8

参考文献　………………………………………………………………………………9

绪言

光伏水泵亦称太阳能水泵，他的基本原理是利用太阳能电池将太阳能直接转变为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从江河，湖，井等水源提水。

从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。

本系统具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。

发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来巨大良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。

光伏水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增氧、海滨盐场供排水等。

此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的国际市场前景令人十分鼓舞。

光伏水泵系统作为一个刚刚崭露头角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。

有刷直流光伏水泵：

水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。

第一章光伏水泵的种类

1.1有刷直流光伏水泵

有刷直流光伏水泵：

水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。

优点：

价格低廉。

1.2无刷直流光伏水泵

无刷电机式光伏水泵：

电机式无刷直流水泵是采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。

电机的轴与叶轮连在一起，水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里面电机很容易烧坏。

优点：

无刷直流电机已标准化，有专门的厂家大批生产，成本比较低，效率高。

无刷直流磁力驱动光伏水泵：

无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。

磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。

可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。

优点：

寿命长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。

电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。

第二章光伏水泵的重要系数及构成

2.1光伏水泵系统的效率及特性

   系统效率ηsys可以是瞬时系统效率，也可以是小时平均系统效率，日平均系数效率，月平均系统效率，季度平均系统效率，年度平均系统效率等。

计算这些效率时要注意在上述定义公式中，分子与分母所选的积分限为相同的小时、日、月、季度或年，而常易混淆的是诸如把日平均效率看成是小时平均效率的算术平均值，或把月平均效率看成是一月内各天日平均效率的平均值。

    光伏水泵系统的日扬水量受天气（主要是日照）的影响很大，很难给出具体结果，只能根据某一具体时日的具体日照分布给出相应的系统工作状况。

2.2光伏水泵的构成

光伏水泵系统大致由四部分组成：

光伏阵列，控制器、电机和水泵。

2.2.1光伏阵列

光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。

目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。

太阳电池的伏安特性曲线如图：

所示。

它具有强烈的非线性。

太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。

图：

中曲线上的大圆黑点表示在相应日射下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点".光伏阵列的伏王特性曲线具有和单体太阳电他同样的形状，若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它”具有理想的一致性光伏阵列的伏安特性曲线可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺。

2.2.2控制器及变频逆变器

光伏阵列的输thtr乎特性曲线具有强那朔）线他而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机甚至还有其它新型电机，它们同样具有非线性性质。

在这种情况下要使光伏泵系统工作在）、较理想的工况，而且叉，于任何日照，都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态。

适配器的内容主要是最大功率“点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。

光伏阵列通过最大功率点跟踪器以后的输出是直流电压，如果水泵所用驱动电机是直流电动机，当然就可以在二者电压值相适配的情况下直接连接，电动机将带动水泵旋转扬水，例如美国Solarjack公司早年的安静产品就是这样。

由于直流电动机的造价一般较高，还需要定期维护或更换其电刷，近若干年来，由于新型调速控制理论及功率电子器件、技术的进步，使交流调速技术有了长足的发展，其效率已逐步赶上直流电动机，而其使用的方便性和牢固性却远远超过直流电动机，因此有刷直流电动机的驱动方式渐呈被淘汰之势，而取而代之的主要是高效率的三相异步电动机及直流无刷电动机，也偶有采用永磁同步电动机或磁阻电动机的。

后几种电动机的驱动都要靠专用的变频装置或相应的电力电子驱动电路。

：

这里以三相异步电动机的驱动为例说明其驱动的基本原理。

交流驱动一般情况下可分为正弦波驱动和方波驱动（含阶梯波驱动）两大类。

如果是功率较小的光伏水泵系统（300W以下），通常都都以方波驱动为主；而当功率较大时为了限制其谐波损耗，一般采用正弦波驱动。

不管采用何种驱动，其基本电路结构都可分为以下四部分，即：

（1）开关电源：

开关电源部分的作用顾名思义，就是为控制器提供电源。

我们所说的控制器一般情况下都是需要士5V或＋12V等控制电源，而太阳电池阵列的输出电压在绝大部分情形下是不可能直接为此所用，因此需要一个DC／DC变换装置，把阵列的直流电压变换为所需的直流电压，这就是开关电源。

（2）主电路及其驱动电路：

作为主电路的三相逆变电路的主要元件为功率电子器件，它们构成了全桥式逆变电路，大容量的电解电容作为储能元件直接跨接在直流侧两端，当逆变电路关断时，太阳电池阵列向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池阵列一同为负载供电。

驱动电路的设计与制作应精心进行，在使用功率MOsFET时要可靠地使栅极驱动电路具有良好的性能。

（3）控制电路：

目前很多的光伏水泵系统电路都采用先进的单片微机技术，经过了MsC-51系列、MCS96系列等发展过程，最近更推出了比较令人满意的8XCI96系列，其中包括专门用于电机调速的80C196MC系列，它除了具有196系列的许多共有特点外，还具有特别适合于电动机驱动的特点，通过汇编语言的程序设计，在本系统中主要完成以下功能：

1）完成系统要求的过流、欠压、低速、打干保护等保护功能，显示故障状态；

2）检测主回路直流侧的电流、电压、计算出太阳电池阵列的输出功率，完成在变频调速过程中对阵列输出最大功率点的跟踪；

3）按磁链追踪或其它相应的变频调速原理，发送SPWM信号。

（4）保护电路：

出于对系统安全运行的考虑，需要设置诸如过电流、过电压、过负荷、过低负荷、欠电压、井水打干、停机后在各种条件下的自启等等许多保护环节，要根据所选用的控制器件、控制电路因地制宜地把它们设置到电路中去。

由于光伏水泵在绝大多数情况下都是“日出而作，日落而停”、全自动地工作的，因此必须采用十分可靠的保护措施。

2.2.3电机和水泵

在电机、水泵的工作上，它们往往构成一个总成件，这个总成件要求有最大限度的可靠性及高效率。

对于光伏水泵而言，电机和水泵的搭配并不象常见的电机和水泵搭配那样“随便”，由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳电他阵列的电压等级和功率等级的制约，因此对水泵扬程、流量的要求被反映到电机上时，往往必须在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计。

出于不同用户的不同要求，光伏水泵用驱动电机有：

不同电压等级的传统直流电动机，直流无刷永磁电动机，三相异步电动机，永磁同步电动机，磁阻电动机等。

从目前的使用情况看，以三相异步电动机及直流无刷电动机为最多，大功率系统仍以采用高效三相异步电动机为主。

在进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵的具体运行条件，主要是：

变频运行、负载率早晚变化较大等。

在这种情况下要力争使电动机全日、全年的总平均效率为最高，它不象普通电动机那样可以认为它是一直处于具有恒定电压的电源带动下工作的。

光伏水泵系统中水泵的选择与设计也甚有特点。

根据用户对流量、扬程的不同要求，按经济性、可靠性大致可按以下原则选择泵型：

要求流量小、扬程高的用户，宜选用容积式水泵；要求流量较大，且扬程也较高的用户，宜选用潜水式电泵；需要流量较大，但扬程却较低的用户，一般宜采用自吸式水泵。

2.4光伏水泵系统的效率及特性

系统效率ηsys可以是瞬时系统效率，也可以是小时平均系统效率，日平均系数效率，月平均系统效率，季度平均系统效率，年度平均系统效率等。

计算这些效率时要注意在上述定义公式中，分子与分母所选的积分限为相同的小时、日、月、季度或年，而常易混淆的是诸如把日平均效率看成是小时平均效率的算术平均值，或把月平均效率看成是一月内各天日平均效率的平均值。

商品化光伏水泵系统的系统效率，其一般在1％-6％的范围内不等。

产品的质量参差不齐，更由于系统效率中包含了太阳电池的效率，仅根据系统效率难以判断逆变器、机泵总成件等主要部件的效率情况，因此市场上通常把太阳电池的效率排除在外，给出一个“机泵系统效率”，这里“系统”二字的含意是已把MPPT、变频逆变器的效率考虑在内。

从目前世界市场的产品情况看，机泵系统效率相差很大，高的可达60％左右，低的仅10％左右。

当然，功率等级不同、泵型及电动机类型不同都会有不同的效率范围，在保证其可靠性的前提下要认真推敲其一定年限内的性能／价格比。

光伏水泵系统的日扬水量受天气（主要是日照）的影响很大，很难给出具体结果，只能根据某一具体时日的具体日照分布给出相应的系统工作状况。

　　如某一光伏水泵系统，其开始扬水（相应于扬程为某一定值时）的太阳辐照度约是420w／m2（时间大概是早上7：

50），人们称该“420W／m2”为该系统在扬程等于该一定值下的“扬水阈值”。

扬水阈值是衡量一个光伏水泵系统工作状况的重要指标，它既取决于光伏水泵系统质量的优劣，也取决于配用太阳电池阵列容量的大小，同一系统在相同的阵列容量及扬程下，阈值愈小愈好，这意味着水泵早打水，多打水。

第三章光伏水泵系统控制器与控制策略

3.1光伏水泵系统MPPT控制器构成

该光伏水泵系统的MPPT控制器以及与系统各部分连接图。

其中MPPT控制器由电压传感器、电流传感器、微处理器控制单元（MCU）,PWM控制器和主t毯路构成，MCU采用了Mc68HC908GP32芯片。

3.2光伏水泵系统控制策略的设计

在该光伏水泵系统中，核心控制策略采用厂最大功率点跟踪控制的一阶差分算法。

其中，电压、电流传感可以监测光伏阵列的输出电压、电流以及功率情况，根据三者的状态以及相应的公式来进行一阶差分最大功率点跟踪控制。

值得注意的是,该在计算时请不要将光伏阵列的输出功率提高到最大，这与电机水泵输出功率最大稍有区别。

造成该区别有几个原因：

首先控制器和主电路造成一定的功率损耗；其次，电机水泵负载也具有较强的作线性，典型的光伏水泵输入功率与水泵流量的关系。

举例来说.在早上光照不足的时候，电机水泵的输人在一定功率以下时，由于水泵扬程的限制，水泵无法将水扬到地面、可以认为其输出功率为零，此时光伏阵列的最大功率输出并不具有实用意义；另外，电机水泵的工作状态的调整是一个过渡过程，如果光伏阵列最大功率输出调整的过渡过程与电机水泵工作状态调整的过渡过程配合不好的时候，会大大降低系统的稳定性。

一个频繁启动的光伏水泵系统，较难做到输出水量的最大化。

在该光伏水泵系统中，将上述因素进行了综合考虑，在核心控制策略之外，采用了多项调整措施，基本保证了在电机水泵工作时，其输出水量的最大化。

例如在启动电机和水泵之前对光伏阵列的输出功率进行预估，如果无法达到提水至地面的要求，则不启动电机水泵。

致谢

非常感谢冷老师，冷老师在我大学的学习阶段——设计阶段给我的指导。

从最初的选题、资料收集、构思、写作、修改。

冷老师给了我耐心的指导和无私的帮助。

在论文写作过程中冷老师倾注了大量的心血，严格把关，一遍又一遍的指出具体问题，循循善诱，在此我表示衷心感谢。

在此，还要感谢《应用光伏学》的作者及译作者，该书给我的论文写作带来很大的帮助。

这些专家严谨的治学态度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神使我获益颇多。

还要感谢其他众多师长、友人给了我的指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢！

最后，衷心的感谢在百忙之中参加论文审阅的专家和老师。

参考文献

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